حسگر بي سيم مجهز به (GPS) (2)

ارتباط شبکه

ماژول GPS اطلاعات خام ماهواره را برای تعداد مختلفی از ماهواره های قابل رویت( قابل شناسایی)، در هر زمان اندازه گیری، از خود خارج می‌کنند (شکل 1 را ببینید). داده های اندازه گیری شده ی مرتبط با هر ماهواره از فرمت UBX دوتایی به داده های معقولانه ی بایت خطی( linear byte-wise) تبدیل می‌شوند و بدین وسیله برای انتقال رادیویی آماده می‌شوند. تمام میدان های بیت نامربوط و بکار نرفته برای کاهش هزینه ی فعالیت رادیویی، حذف می‌شوند.
تمام ساختارهای داده ای ماهواره ای با استفاده از یک زمان GPS پیشوند دار می‌شوند که این زمان GPS به فاصله ی زمانی مربوط است. اگرچه تکرار پیشوند زمان GPS برای هر بسته ی ماهواره ای باعث افزوده شدن هزینه های اضافی می‌شود، پردازش بعدی و ارزیابی این داده ها به طور زیادی با استفاده از این اطلاعات ترتیب گذاری بوسیله ی زمان های جاسازی، ساده می‌شود. ساختار داده های اندازه گیری شده بوسیله ی ماهواره، دارای اندازه ی ثابت 30 بایت هستند؛ و این مسئله به همراه ساختار بسته ای رادیویی و Dozer در شکل 1 نشان داده شده است. پس از بازسازی داده ها به صورت بسته های Dozer، آنها به صورت پروتکل Dozer به صورت بسته درآمده تا بتوان آنها را در شبکه ی بی سیم چند هاپه انتقال داد و در بخش های ذخیره سازی غیر فرار ثبت کرد تا از عدم اتلاف داده ها اطمینان حاصل شود.
پشته ی پروتکل Dozer همچنین رسیدن فرمان های ارسالی از طریق سرور بخش مدیریتی به مکان های مد نظر را تأیید می‌کند. این بسته های فرمان شامل گستره ی وسیعی از فرمان ها برای تمام و یا تنها یک گره در شبکه است. برای مثال یک چنین فرمانی می‌تواند شامل به روزرسانی مدت زمان مانع اندازه گیری و فاصله ی زمانی اندازه گیری باشد. این ویژگی اجازه می‌دهد تا برنامه ی زمانبندی در هر گره، به طور خودکار دوباره پیکربندی گردد و انعطاف پذیری زیادی در گستره ی وسیعی از کاربردها می‌کند. علاوه بر این هر گره برای ارسال دوره ای بسته های وضعیت سلامتی مورد استفاده قرار می‌گیرد. این اطلاعات سلامتی قادر هستند مقادیر نودهای منفرد( یعنی ولتاژ هسته، نمودار جریان، دما، رطوبت و ...) را از راه دور ارسال کند.

ارزیابی

این بخش نتایج کارایی سیستم جمع آوری داده هایی را به طور خلاصه آورده است که از یک سیستم کوچک ایجاد شده در سقف ساختمان مهندسی الکتریک در فضای دانشکده ی ETH Zurich بدست آمده اند( عرض جغرافیایی: 47.3773909 درجه، طول جغرافیایی: 8.5529154 درجه). اگرچه این مکان دارای شرایط بهینه است یعنی منظره ی استثنایی ازآسمان دارد، و عمدتا کار ارتباطات رادیویی بدون ایجاد مزاحم انجام می‌شد، این سناریو الزاما در سایت مورد نظر، قابل پیش بینی نیست. با اینحال ارزیابی کارایی ارائه شده در این بخش تأیید می‌کند که فرایند جمع آوری داده با توجه به نیازها کار می‌کند.

راه اندازی آزمایشگاهی( Experimental setup)

نود حسگر بی سیم مجهزبه GPS در یک شبکه ی با توپولوژی خطی 1، 2 و 3 هاپه برای یک دوره ی سه هفته ای برای هر توپولوژی، مورد استفاده قرار گرفت.
برای آنالیز داده ای، یک مدت مانع اندازه گیری24 ساعته در هر روز شکل گرفت. نظر به اینکه حرکت آهسته درمورد استفاده ( use-case) مورد انتظار است و همچنین یک افت بهبود با فرکانس نمونه برداری بالاتر، بوجود می‌آید، یک فاصله ی زمانی اندازه گیری به مدت 2 دقیقه در عمل مورد استفاده قرار گرفت. با توجه به مقدار داده های ایجاد شده، این پیکربندی یک سناریوی اشتباه را نشان می‌دهد. برای آنالیز توان، دو مانع سه ساعته در هر روز ( یک پیکربندی واقع بینانه برای مانیتورینگ روزانه ی تغییرات آهسته ی زمین) انتخاب شد تا مزایای سیکل های روزانه نشان داده شود.

عملکرد و کیفیت داده ها

دقت رزولیشن بدست آمده بوسیله ی الگوریتم پردازش، به طور مستقیم به مقدار مربوط می‌شود و کیفیت نمونه های داده ای متوالی جمع آوری شده است. از این رو عملکرد و کیفیت داده ها برای استاندارد کاربردی در سیستم جمع آوری داده، مهم است. جدول 1 یک مجموعه از آمار جمع آوری شده از کار عملی را نشان می‌دهد. بسته به تعداد ماهواره های قابل رویت در زمان اندازه گیری، بسته ی UBX بوجود آمده بوسیله ی ماژول GPS، شامل مقدار متغیری از داد های ماهواره ای هستند( بیش از 296 بایت)[24]. به هر حال، اندازه ی بسته ی Dozer تنها به حد کافی بزرگ است که یک ماهواره را اصلاح می‌کند بنابراین هر بسته ی UBX در یک بسته ی رادیویی بازسازی می‌شود.
عملکرد داده ها سیستم جمع آوری داده به عنوان نسبت بین تعداد بسته های Dozer جمع آوری شده و تعداد بسته پیش بینی شده در طی موانع اندازه گیری، تعریف می‌شود. به منظور بررسی این مسئله که تمام داده های جمع آوری شده انتقال می‌یابد و عملا به ایستگاه پایه میرسند،ما از عدد توالی سرآمد بسته ی Dozer ( شکل 1 ) در ترکیب با زمان GPS مربوط به هر بسته ی Dozer استفاده می‌کنیم. همانگونه که در جدول 1 نشان داده شده است، سیستم جمع آوری داده در طی دوره ی ارزیابی، یک بسته ی تکی را گم نمی کند و بنابراین، عملکرد کاملی از داده ها برای تمام سه توپولوژی شبکه، بدست آمد.
عملکرد مناسب به عنوان نسبت میان بسته های Dozer ( که شامل آنهایی می‌شود که از بررسی کیفیت عبور نکردند) و تعداد کل بسته های Dozer جمع آوری شده، تعریف می‌شود. بررسی کیفیت یک فاصله ی زمانی اندازه گیری را به عنوان فاصله ی مفید تقسیم بندی می‌کند، اگر و تنها اگر حداقل 4 ماهواره قابل رویت باشند و شاخص کیفیت( quality indicator) در حداقل 4 ماهواره بزرگتر یا مساوی ابعاد و تصحیح ساعت کاربردی است. به هر حال الگوریتم افتراقی دوتایی با اضافه شدن هر ماهواره ی به پردازش افتراقی، نتایج بهتری می‌دهد. مقدار شاخص کیفیت بوسیله ی ماژول GPSتعیین می‌شود و یک مقدار بزرگتر یا مساوی 5 نشاندهنده ی این است که مقادیر گستره ی دروغین( pseudorange)، دوپلر و فاز حامل برای این اندازه گیری خاص، معتبر است.
بطور مخالف آنها برروی کارایی تأثیر ندارند. این مسئله به خاطر این است که حداقل 4 ماهواره درطی همان فاصله ی زمانی اندازه گیری دارای شاخص کیفیت 5 یا بیشتر است. جدول 2 همچنین نشان می‌دهد که تعداد حداقل ماهواره ها برای هر فاصله ی زمانی اندازه گیری بزرگتر از 4 است اما تنها تعداد اندکی از اندازه گیری ها شامل بیش از 11 ماهواره هستند.
با در نظر گرفتن 30 بایت برای هر ماهواره، یک مقدار قابل توجه از داده می‌تواند در هر نود شبکه ایجاد شود. شواهد تجربی بدست آمده از یک آزمایش در سایت اجرای آزمایش، پیشنهاد می‌دهد که به طور متوسط 7 ماهواره برای هر فاصله ی زمانی اندازه گیری می‌تواند شرایط واقعی را ایجاد کند. نمونه ها دارای بیش از 9 ماهواره، تنها در 1% جمع آوری داده ها در این سایت خاص دیده شده است. این یافته ها مرز بالایی 10 ماهواره را پیشنهاد می‌کنند که این تعداد هم اکنون بوسیله ی نرم افزار جمع آوری داده های ساپورت می‌شود. در حالی که این مسئله می‌تواند به سادگی تصحیح گردد، محدود بودن تعداد بسته ها، حافظه ی مورد نیاز برای بافر ارسال نود، را کاهش می‌دهد و بنابراین اجازه می‌دهد تا شبکه ی بزرگتری را ایجاد کنیم.
جدول 1 نشان می‌دهد که این سیستم جمع آوری داده عملکرد داده ای کاملی را برای تمام این سه پیکربندی توپلوژیک ایجاد می‌کند. مشاهدات بدست آمده درطی این سه هفته تنها یک فاصله ی زمانی اندازه گیری کیفیت اشاره شده در بالا را نداشت که به همین دلیل عملکرد مفید به 99.99% کاهش یافت. این یک فاصله ی زمانی اندازه گیری که نتوانست کیفیت لازمه را بدست آورد، به احتمال زیاد به فاکتورهای محیطی مانند شرایط آب و هوایی نامناسب یا یک قرارگیری نامناسب ماهواره، مربوط می‌شود. اگرچه کیفیت بالای ثبت، مد نظر است، این را باید توجه کنیم که نودها در بستر آزمایش، تقریبا دارای قابلیت دید نسبتا کروی آسمان هستند که با احتمال زیاد در مورد یک سایت قرارگیری گسترده، این مسئله وجود ندارد. با این حال این نتایج تأیید می‌کنند که این سیستم بطور قابل اطمینانی از ماژول GPS نمونه برداری می‌کنند و به طور موفق داده های جمع آوری شده را به ایستگاه پایه انتقال می‌دهد. ارتباط TCP/IP ارسال تمام داده ها را با سرور ذخیره سازی بخش مدیریت، تضمین می‌کند.

تأخیر سرهم پیوسته

درحالی که تأخیر سرهم پیوسته برای کاربردهای مدل سازی علمی حیاتی نیست؛ این مسئله یکی از جنبه های مهم در سایر سناریوهای کاربردی ممکنه مثلا سیستم های هشدار( EWS) است. هرچه یک حادثه ی مخرب زودتر شناسایی گردد، هشدرهای سریع تر می‌تواند ایجاد شود و خبردادن به ناحیه های درخطر سریع تر انجام می‌شود. با اجرای یک EWS فرضی، این بخش تأخیر شبکه ی سرهم پیوسته را مورد بحث قرار می‌دهد.
با استفا ده از گروه داده ی خلاصه شده در جدول 1، تأخیر سرهم پیوسته بر اساس زمان GPS مربوط به اندازه گیری( یعنی زمان تولید)، و زمان هماهنگ سازی NTP محاسبه می‌شود که در آن بسته ی به ایستگاه پایه رسیده است. جدول 3 آمار بدست آمده برای تأخیر سرهم پیوسته برای کل این سه توپولوپی آزمایشی را نشان می‌دهد. تأخیر متوسط برای سه توپولوژی به ترتیب 35، 50 و 69 است.
مرز پایین بوجود آمده در تأخیر سرهم پیوسته بر اساس پیکربندی پروتکل شبکه ی Dozer پارامتری شده ایجاد می‌شود مخصوصا فاصله ی زمانی انتقال که در آزمایش 30 ثانیه در نظر گرفته شده است. بسته به نیاز کاربردی، این تأخیر می‌تواند بوسیله ی تنظیم پارامترهای پروتکل شبکه، کاهش یابد. این امکان ندارد که یک مرز بالایی باریک بر روی تأخیر سرهم پیوسته ی سیستم، تعیین کرد زیرا تأخیر بسته های منفرد برروی تعداد استدلال تأثیر دارد. برای مثال یک نود یا ایستگاه پایه ممکن است به دلیل افت توان، کیفیت پایین شبکه ی بی سیم، ریست شدن نود و...، از مدار خارج گردد و باعث ایجاد تأخیر نامعین در جمع آوری داده ها شود. تجربه ی حاصل از کار برروی این سه شبکه، پیشنهاد می‌کند که زمان های شروع ثبت نشناندهنده ی قرارگیری در موقعیت حقیقی است.

تجزیه و تحلیل توان

اتلاف توان نود یک از استانداردهای کاربردی مهم است و عمر مفید وسیله در میدان را تعریف می‌کند. ترکیب منحصربفرد یک وقفه حاصله از طراحی، سیکل عملکرد هماهنگ در اندازه گیری، و فعالیت حالت ردیابی بهینه ی توان( POT) اتلاف توان کلی سیستم را به حداقل می‌رساند.
شکل 2 و 3 نمودار جریان دو بخش اصلی اتلاف توان یک نود را نشان می‌دهد. یکی از این بخش ها ماژول GPS است و دیگری دستگاه گیرنده-فرستنده ی رادیویی TinyNode 184 است. شکل 2 فعالیت ردیابی بهینه ی توان ماژول GPS را نشان می‌دهد. تقریبا در 5 ثانیه ردیابی ماهواره، قابلیت رویت به حدی افزایش می‌یابد که حالت POT فعال شده است و نمودار جریان GPS به شدت کاهش یافته و به 22 mA می‌رسد. در پیک بالاتر از 57 mA، نمودار جریان در طی حالت POT، در میان جریان های 22 mA و 49mA به نسبت 1 به 5 تکرار می‌شود ، که این مسئله منجر به یک اتلاف توان متوسط به اندازه ی 137 mW می‌شود.
نمودار توان در شکل 3 شکل جریان که از بخش TinyNode 184 حاصل شده است را نشان می‌دهد که شامل یک سری از فرایندهای ارسال و دریافت رادیویی دوره ای است که به برنامه ی زمان بندی دوره ای و انتقال داده با استفاده از پروتکل شبکه ای Dozer بستگی دارد. با مقایسه ی ماژول GPS و گیرنده-فرستنده ی رادیویی، نمودار جریان پردازش کاربردی ناچیز در نظر گرفته شده است( به عنوان نتیجه ای از عملکرد میکروکنترلر MSP430 با توان پایین).
4 بخش با بیشترین سهم در اتلاف توان TinyNode 184 عبارتند از( شکل 3):
انتقال داده های GPS
انتقال امواج رادیویی به نودهای فرزند
دریافت امواج رادیویی از یگان اولیه
پروتکل Dozer، TinyOS وسربار پردازش داده ای( data processing overhead).
ارسال و دریافت امواج رادیویی دوره ای یک بخش مهم در پروتکل شبکه است و ایجاد صحیح این فرایند اتصال شبکه را تضمین می‌کند.
جدول 4 توزیع توان، بودجه بندی بوسیله ی ماژول GPS و گیرنده فرستنده رادیویی را به ترتیب نشان می‌دهد. ردیف های این جدول بر حسب فعالیت اندازه گیری طبقه بندی شده است که به دوره در زمانی اشاره دارد که سیستم به طور فعال از ماژول GPS نمونه برداری می‌کند، درحالی که غیر فعال بودن اندازه گیری نشاندهنده ی توزیع در طی زمان هایی است که ماژول GPS خاموش است. جدول 4 به طور واضح نشان می‌دهد که به خاطر اتلاف بالای توان در ماژول GPS، نیاز به انرژی این بخش چندین درجه از نیاز به توان TinyNode 184 بیشتر است. و همچنین نشناندهنده ی مزیت کاربردی و مناسب عملکرد سیکلی این جزء است. نمونه برداری پیوسته ممکن است برای کاربردهای خاصی سودمند باشد زیرا این روش اجازه ی مانیتورینگ پدیده های اتفاق افتاده در زمان های کوتاه تر ازیک روز را به ما می‌دهد؛ ولی به هر حال بهبود دقت در یک عملیات سیکلی ناچیز است. علاوه براین،اگرچه افزایش فرکانس نمونه برداری باعث ایجاد رزولیشن بالاتر می‌شود، اتلاف توان به دلیل حجم بالاتر انتقال داده از طریق گیرنده-فرستنده ی بی سیم ، بالاتر می‌رود.
برای تخمین عمر مفید نود حسگر که با استفاده از یک باطری تغذیه می‌شود، معادلات (5) و (6) مورد استفاده قرار می‌گیرند. معادله ی (5) نمودار جریان متوسط کل بر واحد ساعت در نود را برای موارد زمانی که دریافت کننده ی GPS فعال ( ) و غیرفعال( ) است، را نشان می‌دهد؛ که در اینجا جریان توزیع شده جزء i( جدول 4)، نسبت متوسط زمانی است که جزء i فعال است، و k ثابت است که برابر 60 Sec/min است. سپس معادله ی (6) باعث بدست آمدن عمر مفید(L) در روزها می‌شود. که و به ترتیب مقدار جریان متوسط در طی دوره ی 24 ساعته در زمانی است که به ترتیب GPS فعال و غیرفعال است. تعداد موانع اندازه گیری در روز مدت زمان است و C ظرفیت باطری در واحد mAh با بازده دشارژ شدن β است.

با استفاده از پارامترهای جدول 4 و فرض کردن دو مانع اندازه گیری سه ساعته در هر روز، و همچنین استفاده از یک باطری استاندارد با ظرفیت 14000mAh و بازده دشارژ 75% ( یعنی ، یک عمر مفید 62 روزه برای هر بار شارژ کردن باطری حاصل می‌شود.

نتیجه گیری

ما یک سیستم سرهم پیوسته ی برای کاربردهای موقعیت یابی با دقت زیر سانتیمتر، معرفی کردیم. راه حل موقعی یابی ما یک رزولیشن( قدرت تفکیک) فضایی-زمانی بالا، صرفه جویی در هزینه، مقیاس پذیری استفاده( deployment scalability) و جمع آوری داده در زمان حال( real time) فراهم می‌کند که اکثر این موارد نسبت به سایر تکنیک های سنتی موقعیت یابی ژئودوزی مزیت محسوب می‌شود. اکثر روش های سنتی موقعیت یابی ژئودوزی هزینه برهستند و یا نیازمند سلسله عملیات های طولانی هستند.
ما همچنین یک ساختار، رویه ی اجرا و ارزیابی از یک نود حسگر بی سیم مجهز به GPS را ارائه کردیم که مختص جمع آوری داده در داخل راه حل موقعیت یابی سرهم پیوسته است. ما نشان دادیم که نود حسگر ما کم هزینه، با مصرف انرژی حداقل است و قابل کاربرد در کاربردهای موقعیت یابی در گستره ی وسیع است.
استفاده از مطالب اين مقاله با ذكر منبع راسخون بلامانع مي باشد.